应用於能源效率提升的氧化物制作

1、應應用用於於能能源源效效率率提提升升的的氧氧化化物物製製作作葛新人 謝濠全 胡慶鴻摘要本文是以提升電解質的效率為主，再從微波燒結來觀察其燒結之緻密程度，塗上銀膠即可量測出其阻抗，並針對其電導性進行探討。我們先從具有高化學和物理穩定性、高的機械強度、高熱穩定性等等較優性質的氧化釔穩定氧化鋯(YSZ)來下手，再從摻雜多元的(LaSrBa)CeO 來作比較，藉由減少電解質的厚度和摻雜多種類的元素以提升電池的效能，達到本論文研究之目的。Oxide Apply in Raising Energy EfficiencyHsin-Jen Ke Hao-Chuan Hsieh Ching-Hung HuABS

2、TRACTThis paper is about how to improve the efficiency of electrolyte, observe sinter density by microwave sintering and study the electrical conductance. We start from YSZ which has high chemical physical stability, high mechanical strength, high heat stability. Then compare to (LaSrBa)CeO. By redu

3、cing thickness of electrolyte and doping different kind of element, We can improve the efficiency of battery and reach the aim of this paper.一、固態氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell,SOFC)之原理發展:1-1 燃料電池效率 熱力學分析指出，燃料電池不像各類熱機那樣效率受卡諾循環的限制，不管是低溫型的還是高溫型的其發電效率一般都可以達到 40-70%，能量利用效率一般高於 50%，高的可達 90%。其中固體氧化物燃料電池（sol

4、id oxide fuel cell, SOFC） ，穩定運行時能提供使用礦物燃料時的最高發電效率65-70%。1-2 燃料電池依電解質種類區分 分為低溫型(60-220)和高溫型(600-1000)兩種，其中低溫型的有:鹼性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、質子交換膜燃料電池（PEMFC）和直接甲醇燃料電池（DMFC）。高溫。1-3 SOFC 的原理 燃料經系統處理後，使之產生富含氫氣的氣體，再配合空氣（提供氧氣）輸入電池本體內，在電極表面反應產生電能、熱能及水。故與其他電化電池不同的是燃料電池的反應溫度相當高。電極需要是多孔性，以便氣體通過，電解質則是要呈現緻密化，以便離子通過

5、。陽極( anode ) ：H2O 2- H2O2e- 陰極( cathode ) ：O2 4e- 2O 2二、燒結原理-微波:微波燒結(microwave sintering)顧名思義是指以微波來燒結材料。燒結是需要能量來推動質傳的發生，在傳統的固態燒結其能量來自電熱發熱體，如 SiC, MoSi2 等等產生的高溫。而微波燒結則是用材料中的離子吸收微波後，被強迫振動而發熱的效果而達到燒結的目的；因此傳統燒結是以熱對(thermal convection)方式將熱由被燒結材料表面傳導至材料內部，我們將之稱為外向(extrinsic)性質，而微波燒結因是材料本身與微波作用，吸收微波後發熱，將熱由

6、材料內部傳導至材料外部，我們稱之為內向(intrinsic)性質。三、電解質之比較:固態氧化物燃料電池中，常見的電解質有下列幾種:(YSZ): YSZ 較為常見，他具有 SOFC 所要求的特性，如在高溫下（1000C）有高的氧離子電導率但沒有電子電導率、有高化學和物理穩定性、高的機械強度、高熱穩定性、與其他電池組件很低的化學反應性、易加工性和適中的價格等。唯一的不足是中低溫（500- 800 C）操作時，它的氧離子電導率不夠高。2.稀土族摻雜氧化鈰(RDC): 由於高溫操作時，會使得燃料電池的加工成本上升以及電池壽命降低，因此希望發展在中溫操作下的 SOFC 電解質，Ga 摻雜氧化鈰(如 GD

7、C)比起YSZ 有較高的離子導電率，但其缺點是在高溫還原氣氛下，Ce4+會被還原為 Ce3+導致電解質電子電導率的產生使電池性能變壞。3.鎵酸鑭基(LSG-): 鎵酸鑭基就是具有鈣鈦礦型(ABO3)結構的這類複合氧化物。早期的研究指出，當鎵酸鑭基鈣鈦礦型複合氧化物(LaGaO3)，用鹼土金屬離子部分取代其中的 La 和 Ga 離子時，它能顯示高的氧離子電導率 Fig.3.鈣鈦礦型結構 對氧化鉍基材料，雖然其氧離子電導率是所有已研究過的固體材料中是最高的，但是由於其在還原氣氛下結構極不穩定，只能在有保護層時才能使用即只能作為多層電解質中一層來使用。5.高溫質子導體（HTPC） 對質子傳導的導體，

8、能用作 SOFC 電解質的是它們中的高溫質子導體（HTPC） ，而能在 673K-973 溫度範圍內電導率達到的只有鈰酸鹽，這一溫度範圍正好是絕大多數催反應的操作範圍。摻雜BaCeO3能在 773K-873K 溫度範圍內應用，但為保持其質子導電須保持有高至數十大氣壓的水蒸汽壓力。另一類質子導體是鹽-氧化物複合物，它的溫度範圍與 HTPC 相同而質子電導率相對要低一些，但他們有可能作為電化學反應器的電解質，可以在產生電力的同時生產有用的化學品或消除污染物（如H2S） 。這些還有待更深入的研究。 為發揮中溫電解質高氧離子電導率的特點的同時克服中溫電解質存在的問題，提出了使用雙層和多層電解質的解決辦

9、法。雖有不少專利發表，但如何使雙層和多層電解質的性能優於單層電解質，仍有許多問題需要研究如不同電解質材料的匹配和最佳相對厚度的確定等。四、實驗步驟YSZ 的實驗步驟:將 Y203()和 ZrO2()混合加入適當的用球磨機混合 8hr過篩除球(Zr02 球)，呈現黏稠狀倒入研缽，烘箱以 90烘乾後研磨煆燒以 5 /min 升溫，加熱到 1100恆溫 4hr，再以 5 /min 降溫研缽磨碎後再加入 5% PB72 球磨 4hr重複第三、四步驟造粒，通過 60#(250m)篩網後壓片Sintering，以 1200、1300、1400 2hr量測(XRD、SEM、AC impedance)(LaS

10、rBa)CeO 的實驗步驟:五、實驗結果打 X-Ray 主要是利用布拉格繞射原理，透過晶格，判斷它的組成成分和相。Fig.4.為 YSZ 的 XRD 圖。Fig.4.Fig.5.固態氧化物法製作(LaSrBa)CeO 固態電解質粉體變化微波功率、燒結時間、升降溫速率之參數顯微結構、晶相、緻密度之鑑定阻抗分析儀量測微波燒結體阻抗變化與微結構及微波燒結參數之關係2040608001000200030004000 01000200030004000 01000200030004000LSBC 1100 2hr ballmilling 12hrLSBC 1100 2hr ball-milling 8h

11、rLSBC 1200 2hr ball-milling 8hrFig.5.為(La0.75Sr0.2Ba0.05) 的 XRD 圖。圖中可看出 BaO、SrCO3 和 CeO2 尚未反應可能因為 calcined 的溫度尚為達到，目前還在改進中，採取 sol-gel 的作法可以降低燒結溫度。六、結論 要如何提升電池的效能，可以藉由許多量測的方法得知電解質的性質來加以提升，由論文可知道減少電解質的厚度和摻雜多種類的元素都可提高電池效率，但多少的厚度和甚麼樣的摻雜元素是需要去探討的。七、參考文獻1. Shiqiang (Rob) Hui , Justin Roller, Sing Yick, Xinge Zhang, Cyrille Deces-Petit, Yongsong Xie, Radenka Maric, Dave Ghosh, Power Sources 172 (2007) 4935022. Toshiyuki Mori, John Drennan, Jong-Heun Lee, Ji-Guang Li, Takayasu Ikegami, Solid State Ionics 154 155 (2002) 461 4663. Jeffrey W. Fergus, Solid State Ionics 177 (2006) 152915414. Paul Bowen,